王慧宇
摘 要:国民经济水平与城市化进程的不断提升,使得高层建筑的规模与数量持续增加。与普通建筑相比,高层建筑在施工中的建设难度大,同时对于设计环节的要求也较高。在设计初期阶段,应对全局进行把控,以保证后期的施工作业活动能够顺利进行。高层建筑的结构设计是整个设计方案的核心内容,同时是确保建筑物整体安全的关键因素。因此,在高层建筑设计过程中,设计者应对结构设计给予更多的关注,并将其作为设计工作的重点。
关键词:高层建筑;结构设计;问题分析;对策
引言
当前,高层建筑结构设计中存在着高层建筑结构方案选择失当、高层建筑结构计算中传统工具应用不系统、高层建筑结构设计功能不足等问题,易导致高层建筑结构出现抗震能力、安全水平、使用性能等一系列不足和欠缺。
一、高层建筑结构特征
高层建筑最为明显的特征就是高度较高,这使得建筑结构会受到水平、竖直等方向传来的荷载,且在抗震等级上也有着较高要求。对于高层建筑来说,中低档位置受到风力和荷载的影响相对较小,但是随着高度的增加,其受到风力和荷载的影响也将逐渐增大,进而产生一定的剪切力,在外界不良因素的影响下,导致建筑结构出现不同程度的位移,降低建筑安全性。所以在高層建筑结构设计中,需要综合考量多方面因素,以加强设计的合理性、科学性。
二、高层建筑结构设计中的问题
2.1消防结构设计问题
高层建筑装修中使用的可燃性材料相对较多,这为火灾事故的发生创造了条件。受到高层建筑自身结构特征的限制,消防结构在设计中存在一定的复杂性,消防系统的运行存在诸多阻碍;高层建筑中随着层高的增加,受到的风力也就越大,空气流通速度较快,一旦发生火灾,上层建筑的火势会快速蔓延,威胁人们的生命财产安全;对于高层建筑来说,在火灾发生时,电梯等设施无法正常使用,且建筑内部人员数量众多,这为人员疏散带来了困难,再加上很多消防设施的高度无法满足高层建筑需求,救援工作的开展受到阻碍,导致伤亡和损失的增大。
2.2扭转问题
扭转问题的产生主要是由于高层建筑三心设计存在偏离,导致建筑结构在水平力影响下出现不同程度的扭曲震动,降低建筑安全性。高层建筑的三心指的是质量中心、刚度中心和几何中心这三项。所以在建筑结构设计中,要对三心进行合理把控和计算,减少偏差的产生。
2.3抗震结构设计问题
我国处在板块碰撞区域内,地震是最常出现的灾害现象,其对于建筑的破坏较为严重。所以在高层建筑结构设计中,应对其抗震性能和等级进行细致研究,保证设计的规范性。不过目前高层建筑结构的抗震设计中,由于设计人员重视力度不够,对区域以往数据研究的不充分,使得抗震等级无法满足建筑结构的具体需求,地震发生时,建筑出现不同程度的损毁,严重时还会出现坍塌。
2.4抗风结构设计问题
抗风结构设计是目前设计部门及人员经常忽视的一个问题,这种情况的产生使得建筑结构在风力作用下很容易产生位移,破坏建筑结构的稳定性。另外,设计人员在抗风性能的验算中由于取值上的不合理,也导致建筑结构抗风性能达不到标准要求,降低了高层建筑的稳定性和安全性。
三、高层建筑结构设计优化对策
3.1消防结构设计优化
首先,加强防火间距设计的合理性。防火间距的长短对于防火效果有着直接影响。对于高层建筑结构设计来说,防火间距要避免过长,以免阻碍应急处理措施的落实,降低防火效果。而防火间距过小则会造成费用的浪费及防火器材利用率低下等问题。针对不同形式的高层建筑,国家有相应的规范标准,必须严格执行。
其次,安全疏散通道设计。安全疏散通道的设计要保证其合理性,且在条件允许情况下,尽可能保持2条以上的安全疏散通道,从而提高火灾发生时人员疏散效率,减少伤亡的产生。在安全疏散通道内还要设置排烟系统,隔绝浓烟侵袭。最后,按照高层建筑结构特征,设置防火层、防火墙等设施。
3.2扭转控制
3.2.1控制结构平面宽度
对于小型高层建筑框架结构来说,应结合工程专业条件具体选择合理的扭转控制措施。如果专业不允许,可以通过添加抗侧力刚度的方式进行扭转控制;如果专业允许,则可通过添加框架柱的方式完成扭转刚度的控制。对于相对小型的高层建筑框架剪力墙结构,剪力墙一般会设置在电梯、楼梯等位置上,为了更好实现扭转控制,可适当的削弱中间部分剪力墙,添加外侧剪力墙,不过相应的施工成本也会增加。由此可见,若建筑工程中能使用框架体系,则尽量不使用框架剪力墙体系,以此满足控制扭转效应需求。
3.2.2建筑结构周期比控制
建筑结构周期比控制也是实现扭转控制的主要措施。在实际操作中,一方面可以通过增加剪力墙厚度的方式来延长扭转周期;另一方面可通过提升拉梁刚度的方式缩短扭转周期,增大抗扭转强度。
3.2.3增大周边结构抗侧力刚度
在保证抗侧力结构设计合理性的基础上,适当提升周边结构的抗侧力刚度,以此来实现扭转控制目标。首先,将单向剪力墙转变成形剪力墙,并尽可能延长其长度;其次,增加剪力墙厚度;最后,增大周边剪力墙连梁高度,利用楼板、下层门顶高度之间的距离来确定连梁高度,强化扭转控制效果。
3.3抗震结构设计的优化
抗震结构设计的优化可以从四方面来实现,一是科学选址。高层建筑的选址需要做好前期勘察作业,了解区域的地质情况,地壳运行状态以及地质结构特征等内容,保证建筑基础结构的稳定性,减少沉降等问题的产生。
二是建立有限元模型。该模型的建立主要是帮助设计人员分析高层建筑的抗震性能,加强各项数据指标的准确性,从而提升建筑的抗震性能,增强建筑结构承载能力。
三是合理应用减隔震设计。在对重要建筑、超高建筑结构设计中,可通过减隔震设计来提升抗震水平。利用减隔震支座、阻尼器等设备,完善结构的横向抗震性能,延长结构的自振周期,避免与地震灾害产生共振现象。
四是选择合适的结构形式。根据建筑功能性合理选择结构形式,增强其稳定性,增大抗扭能力。
3.4抗风结构设计优化
高层建筑由于高度较高,对风力的振动也较为敏感,所以在高层建筑结构设计中,需要对建筑的抗风性能进行充分考虑。高层建筑的高度会对风力产生一定的干扰,阻碍自然风的流动,进而改变流动和动能效应,对高层建筑产生动力荷载。所以在设计过程中,设计人员需要先对高层建筑结构的材料予以检查,确保其抗压性能符合建筑要求,降低荷载压力对建筑结构的影响。当建筑周围的气流发生变化时,会受到建筑之间的间距、高度、数量等的影响而产生狭管效应,进而降低建筑结构质量。如果在建筑结构设计中,并未将这一情况考虑其中,势必会影响建筑结构的质量,威胁人们的生命安全。
四、结束语
综上所述,高层建筑结构的设计,要做好全面的把控,提出高质量的设计方案,保障建筑结构性能达标。设计工作的开展,从多个方面入手,做好结构水平力和稳定性等指标的把控,优化结构设计,为建筑施工提供高质量方案。
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